等温变换系统管道和设备腐蚀原因分析及优化改进.pdf
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1、 收稿日期 修稿日期 作者简介赵志刚(),男,安徽临泉人,工程师,主要从事化工生产管理工作。等温变换系统管道和设备腐蚀原因分析及优化改进赵志刚,侯玉婷(新疆中能万源化工有限公司,新疆 玛纳斯 )摘要新疆中能万源化工有限公司 合成氨装置于 年建成投产,年 月其等温变换系统部分管道出现了渗漏,全部更换后仅使用 又出现了泄漏,年 月停车检查时又发现等温变换炉内 多根换热管出现了内漏。结合等温变换系统的运行情况和等温变换炉的结构特点,以及管道腐蚀开裂、等温变换炉换热管腐蚀内漏的特点,深入分析认为,管道发生应力腐蚀开裂是因为同时具备了拉应力、氯离子环境、温度三个条件,而等温变换炉换热管腐蚀泄漏则是停车期
2、间的氯离子应力腐蚀为主因、运行中的晶间腐蚀为次因。找到症结所在后,中能万源化工从等温变换系统管道和设备选材、生产操作上采取了一系列的优化改进措施,之后经过 的运行检验,变换系统管道和等温变换炉内件均再未出现过泄漏。关键词等温变换系统;腐蚀;原因分析;奥氏体不锈钢;拉应力;氯离子;温度;优化改进 中图分类号 文献标志码 文章编号 ()引言新疆中能万源化工有限公司(简称中能万源化工)一期项目 合成氨装置、尿素装置于 年建成投产,其合成氨装置的主要生产单元包括气化、变换、低温甲醇洗、液氮洗、氨合成;其中,气化系统采用航天炉粉煤加压气化工艺,变换系统采用 等温变换工艺。年 月等温变换系统主热交至脱毒槽
3、间管道出现渗漏,全部更换后仅使用 又出现了泄漏;年 月停车检查时发现等温变换炉内 多根换热管出现内漏。后通过对等温变换系统管道和设备的腐蚀特点进行分析,从材质选择、生产操作上采取了相应的优化改进措施,最终等温变换系统管道和设备腐蚀问题得到了有效解决。以下对有关情况作一介绍。等温变换系统简介中能万源化工 等温变换系统采用脱毒槽、等温变换炉、绝热变换炉串联流程:粗煤气(温度 ,含量 )经水分离器、过滤器分离液态水和固体杂质后,进入主热交与等温变换炉出口 的变换气换热升温至 ,加入 蒸汽后依次进入脱毒槽、等温变换炉;出等温变换炉 含量为 的变换气经主热交、脱盐水加热器降温至 后进入绝热变换炉,出绝热
4、变换炉的变换气(温度 、含量 )依次经过锅炉水加热器、脱盐水加热器、水冷器、水分离器后温度降至,之后去低温甲醇洗系统。中能万源化工等温变换系统所有管道材质均为 ,所有换热器换热管材质均为 ,水分离器、换热器之筒体和封头材质为 钢堆焊 的 ;由于设计单位不同,气化系统粗煤气出口管道和公共管廊上的粗煤气管道材质为 钢。等温变换系统管道和设备腐蚀情况 管道腐蚀情况 年 月,等温变换系统主热交至脱毒槽间管道出现渗漏,且泄漏点逐渐增多、增大,漏点大多位于三通、弯头与直管段焊缝两侧 处,少数为管件本体处;除去漏点表面附着的黑色锈蚀物,可见腐蚀泄漏处外观呈长度不等的裂纹,对裂纹处进行打磨或补焊时,裂纹还会以
5、肉眼可见的速度扩展,致使修补工作无法进行。于是,当时对主热交至脱毒槽间出现漏点的管 道 和 管 件 全 部 进 行 了 更 换,材 质 仍 为 。对更换下来的管道、管件进行检查,壁第 期 年 月中氮肥 厚无明显减薄,漏点为不规则贯穿性裂纹。年,上述更换后的管道仅使用 又出现了泄漏,且泄漏的范围扩大至脱毒槽至等温变换炉管道以及等温变换炉至主热交管道。年 月,对全部泄漏的管道进行了更换。从 年月 年 月泄漏管道的情况来看,泄漏管道仅限于主热交与脱毒槽及等温变换炉间的粗煤气管道,以及等温变换炉与主热交间的变换气管道,而主热交之前的粗煤气管道和主热交之后的变换气管道自 年运行以来未出现过泄漏。设备腐蚀
6、情况等温变换炉内部主要为全径向催化剂筐和悬挂式双套管换热组件:催化剂筐与炉壁间有环隙,粗煤气自床层与变换炉壁间的环隙进入催化剂床层,反应生成的变换气经中心管汇集后出变换炉;催化剂床层内铺设双套管换热管,双套管的管板均在变换炉顶部,锅炉水从汽包底部进入变换炉顶部水室,再进入双套管的内管,在底部折流至外套管后吸收变换反应热而汽化并上升至汽室,蒸汽经汽室汇集后进入汽包。年 月,等温变换炉下部 个测温点示数出现较大幅度波动,检修时检查等温变换炉换热管,发现有 根换热管出现泄漏,对这 根换热管采取拆除内管、对外套管进行封堵的修复措施,开车后等温变换炉催化剂床层温度波动逐渐增大,波动幅度由 增大至,判断换
7、热管泄漏范围扩大了。年 月,变换系统停车检查,拆检发现等温变换炉泄漏换热管达 多根,当时同样采取了封堵外套管的修复措施。年 月,对等温变换炉进行了整体更换,对更换下来的变换炉内件进行检查,发现泄漏换热管数量占换热管总数的 ,且泄漏部位 以上处于外套管底端部位(外套管规格为 、材质为 ,其底端用 管帽焊接封闭),泄漏的换热管管帽已全部脱落,其腐蚀断开部位均在焊缝处。腐蚀原因分析 管道腐蚀原因分析中能万源化工等温变换系统粗煤气及变换气管道 全 部 采 用 材 质 无 缝 管,管 件 为 材质对焊件,出现腐蚀开裂的仅限于主热交、脱毒槽与等温变换炉间的管道,等温变换系统其余管道自 年 月系统开车至今已
8、 并未出现过此类问题,且每年计划检修时对管道进行检测均未发现有问题,包括公用管廊上材质为 钢的管道也无问题。推断漏点的发展过程,漏点刚出现时应该只是 个不明显的渗痕(如把渗痕打磨掉,会发现最初是 的裂纹),无明显气体泄漏,甚至有毒气体检测仪也检测不出漏点,但随着时间的推移,裂纹的长度逐渐扩展,漏点逐渐扩大。当期处理时尝试对漏点进行补焊,在打磨裂纹周围时,裂纹会以肉眼可见的速度扩展,这表明金属晶间结构已遭到了严重破坏,实施焊接时裂纹也不断扩展,致使补焊工作无法进行下去,有漏点的管道只能全部更换。对更换下来的管道、管件进行检查,壁厚无明显减薄,漏点呈不规则贯穿性裂纹,为典型的应力腐蚀状貌。为奥氏体
9、不锈钢,国内对变换系统奥氏体不锈钢管道腐蚀原因分析的论文较多,普遍确认为应力腐蚀开裂()。国内外的专家、学者们对应力腐蚀开裂问题进行了大量的研究,揭示了奥氏体不锈钢发生应力腐蚀开裂的机理。研究认为,相对于其他奥氏体不锈钢材料是一种对应力腐蚀较为敏感的材料,而对于 发生应力腐蚀开裂的条件,统一的认可有 个条件 有足够的拉应力存在、有氯离子环境、有利于应力腐蚀的温度。具体分析如下。有足够的拉应力存在生产中管道的拉应力主要有热胀应力、焊接残余应力、冷加工残余应力,当这些应力存在一种或多种并达到一定限度值时,就会使奥氏体不锈钢发生应力腐蚀开裂。中能万源化工等温变换系统主热交出口管道为 无缝钢管,弯头、
10、三通管件为对焊件,管道安装焊接工艺为氩电联焊,焊后无热处理。在现行标准或规范中,对奥氏体不锈钢焊接后是否进行热处理无明确规定,除设计文件明确要求进行热处理以外,通常无论壁厚多少均不进行热处理,这就意谓着必然存在焊接残余应力。主热交出口至脱毒槽进口这段管道连接有主热交粗煤气副线管和过热蒸汽管,主热交出口粗煤气温度为 ,主热交粗煤气副线温度为 ,种不同温度的气体在管道内混合再加上副线调节造成的气量波动,势必造成主热交出口混合气温度的波动,使第 期赵志刚等:等温变换系统管道和设备腐蚀原因分析及优化改进管道在温度波动中产生不断变化的热胀应力;生产过程中通过调节蒸汽加入量控制 变换率,添加的过热蒸气温度
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